BM – Grundlagen der Neurowissenschaften
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aon gmbh – academy of neuroscience
3.
Funktionsweise der Nervenzellen
Ihr herausragendstes Merkmal, nämlich die Fähigkeit, elektrische Signale erzeugen und weiterleiten zu
können, verdankt eine Nervenzelle der speziellen Komposition ihrer Zellmembran. Um verstehen zu
können, wie Aktionspotenziale entstehen, müssen wir zunächst verstehen, wie eine Nervenmembran
aufgebaut ist. Schauen wir uns diese also einmal genauer an.
3.1
Die Nervenmembran
3.1.1
Die Phospholipide
Phospholipide sind die Grundbestandteile einer jeden Zellmembran. Da diese länglichen Moleküle sowohl
ein hydrophiles (d.h. wasseranziehendes) als auch ein hydrophobes (d.h. wasservermeidendes) Ende
haben, lagern sie sich zu einer Doppelschicht zusammen: Die polaren, wasseranziehenden
Phosphatgruppen ragen jeweils nach außen ins wässrige Medium, und die unpolaren,
wasserabstoßenden Fettsäuren orientieren sich zur Mitte der Membran. Dieses Grundgerüst einer
Zellmembran ist prinzipiell ausreichend, um den Inhalt einer Zelle gegen das umgebende Medium
abzugrenzen.
Allerdings hat eine solche Grundmembran keine weiteren speziellen Eigenschaften; diese erhält sie erst
durch bestimmte Proteine, die in die Doppelmembran eingebaut werden. Zu diesen Membranproteinen
zählen unter anderem Rezeptor-, Pumpen-, Kanal- und Strukturproteine sowie Enzyme. Einige Proteine
können mehrere dieser Funktionen gleichzeitig ausüben.
3.1.2
Die Natrium-Kalium-Pumpen
Eine Nervenmembran enthält besonders viele Kanal- und Pumpenproteine. Die meisten Membranen von
Neuronen besitzen pro Quadratmikrometer zwischen 100 und 200 sogenannte Natrium-Kalium-Pumpen;
stellenweise kann dieser Wert auch um das 10fache höher liegen. Diese Pumpen transportieren in einem
Arbeitsdurchlauf gleichzeitig drei Natrium-Ionen aus der Zelle hinaus und zwei Kalium-Ionen in die Zelle
hinein. Insgesamt wird also dem Zellinneren bei jedem Durchgang eine positive Ladung entnommen. Bei
maximaler Leistung transportiert eine Pumpe rund 200 Natrium- und 130 Kalium-Ionen pro Sekunde.
Die beiden Ionen-Sorten werden gegen ihr eigenes Konzentrationsgefälle durch die Membran
transportiert, das heißt, die Kalium- und Natrium-Ionen werden jeweils auf diejenige Seite der Membran
befördert, auf der sich bereits viele Ionen derselben Sorte befinden. Da Transportprozesse, die gegen ein
Konzentrationsgefälle laufen, Energie benötigen, verbrauchen auch die Natrium-Kalium-Pumpen für ihre
